不同水肥处理对稻麦轮作农田土壤氮磷肥力特征的影响

孙婉薷，沈健林，李 勇，王 毅，王 波

（1.苏州大学金螳螂建筑学院，江苏 苏州215123；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，长沙410125）

土壤氮、磷是作物必需的营养元素，也是农业生产中最重要的养分限制因子［1］。适宜的氮素营养通过促进作物的有效分蘖和颖花分化［2］，增加了穗粒数，从而提高产量［3］、改善产品品质［4］、保障农产品质量安全［5］，但长期施用氮肥，土壤中的氮肥残留量累积可达45%以上［6］，并逐渐向深层淋失。磷肥的施用可以提高土壤全磷和有效磷含量，提升土壤磷素活化系数（PAC），提高农业生产效益［7］。然而，化肥过量施用造成土壤磷素累积的现象在全球已经非常普遍［8］，中国的情况也较为严重。近年来中国农田的肥料利用率不断降低，损失率增高。中国水稻的肥料当季利用率氮肥为27.1%～35.6%，磷肥为11.6%～13.7%，钾肥为29.0%～33.8%［9］。土壤中大量的氮、磷等元素无法被植物吸收利用，通过地表径流、农田排水和地下渗透进入环境中其他水体。目前，农业面源污染是水体污染的重要来源，也是全球性的环境问题之一［10］。太湖流域农业面源污染对水体污染贡献率也较高，且已成为污染的主要来源［11］。

已有研究表明，控释氮肥能通过各种包膜技术控制养分释放，协调养分的释放时间和强度，使养分供应同步作物需求［12］，促进植株氮素吸收，维持水稻高产，提高氮肥利用率并减少土壤氮素损失［13］。此外，适量施肥、减少磷肥投入能从源头上控制土壤磷素含量，进而阻控土壤磷流失风险。在农业生产过程中，水分作为土壤肥力中最活跃的因素，不仅影响着作物生长，对土壤氮素、磷素的流失也起着决定性作用。稻田采用间歇灌溉能减少灌溉用水量、减少溢流损失［14］，减少氮素的渗漏量及地表流失量、抑制温室气体排放等［15］。但是，关于太湖流域稻麦轮作农田在不同水肥处理下土壤氮、磷肥力变化特征的报导较为鲜见。因此，本试验通过在太湖流域进行不同灌溉方式（传统灌溉和间歇灌溉）、氮肥类型（尿素和新型缓释氮肥）、磷肥水平（稻季施磷和稻季无磷）的对比试验，探究稻麦轮作农田土壤肥力的变化特征，以期促进土壤氮素、磷素科学管理及高效利用，为减少农田氮素、磷素损失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试地点

试验于2019年6—10月在江苏省面源污染试验区太仓试验基地（31°53'N，121°10'E）进行。试验基地年平均气温15.3℃，年平均降水量为1 055 mm，主要降雨期在每年5—9月，是典型的水旱轮作区域之一，稻麦轮作是当地常规种植模式。

1.2 试验设计

试验包括稻麦轮作体系下不同灌溉方式（传统灌溉和间歇灌溉）、氮肥类型（尿素和新型缓释氮肥）、磷肥水平（稻季施磷和稻季无磷）等不同处理，收集了稻季开始前及结束后的土样。试验共设8个处理，分别为：处理一，传统灌溉+不施氮肥处理；处理二，传统灌溉+当地常规尿素分次施肥处理；处理三，传统灌溉+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理；处理四，间歇灌溉+不施氮肥处理；处理五，间歇灌溉+当地常规尿素分次施肥处理；处理六，间歇灌溉+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理；处理七，间歇灌溉+稻季无磷+不施氮肥处理；处理八，间歇灌溉+稻季无磷+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理。每个处理设3次重复，共24个试验小区，小区面积为100 m2。

当地常规尿素分次施肥处理：基肥为氮肥60 kg N/hm2、磷肥24 kg P2O5/hm2、钾肥42 kg K2O/hm2，氮肥追肥3次，分蘖肥、穗肥、子粒肥各69 kg N/hm2，总计施氮肥267 kg N/hm2。不施氮肥处理：基肥为磷肥24 kg P2O5/hm2、钾肥42 kg K2O/hm2。稻季无磷+不施氮肥处理：基肥为钾肥42 kg K2O/hm2。新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理：基肥为氮肥186.75 kg N/hm2、磷肥24 kg P2O5/hm2、钾肥42 kg K2O/hm2。稻季无磷+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理：基肥为缓释氮肥186.75 kg N/hm2、钾肥42 kg K2O/hm2。

稻季的灌溉方式分为传统灌溉和间歇灌溉，在传统灌溉处理中，除收获前的15 d左右落干晒田外，其余生育期均保持10～20 cm水层；在间歇灌溉处理中，在返青至分蘖初期及孕穗期保持10～20 cm水层，分蘖后期晒田1周，在收获前15 d左右再次排水晒田。

1.3 土样采集分析

2次取样分别为小麦收割后、稻田泡田前（6月2日）和水稻收获后（10月25日），采用土钻每个小区对角线多点取样，风干、磨碎、过筛备用。

土样全氮采用凯氏定氮法测定；铵态氮、硝态氮采用2 mol/L KCl浸提-分光光度法测定；全磷采用HC⁃lO4-H2SO4消解，钼酸铵分光光度法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗分光光度法测定［16］。

1.4 数据处理与分析

采用Miscrosoft Excel 2013和SPSS 21.0软件对试验数据进行计算分析。将泡田前的土壤养分含量折算为100%，收获后的土壤养分含量据此折算为相对百分比，并绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤氮素变化特征

2.1.1 土壤全氮含量变化水稻收获后各处理土壤全氮含量差异如图1所示。传统灌溉的3个处理收获后土壤全氮含量较泡田前下降3.73～12.27个百分点；间歇灌溉的5个处理收获后土壤全氮含量较泡田前下降6.82～10.57个百分点。

1）灌溉方式对土壤全氮含量的影响。间歇灌溉方式下不施氮肥（处理四）和新型缓释氮肥减氮（处理六）处理收获后土壤全氮含量均分别低于相应的传统灌溉方式（处理一和处理三），分别下降了2.33、3.09个百分点；但常规尿素分次施用在间歇灌溉方式（处理五）下反而比传统灌溉（处理二）上升5.27个百分点。

2）施氮水平对土壤全氮的影响。传统灌溉方式下，收获后土壤全氮含量表现为减氮30%处理＞不施氮肥处理＞分次施用氮肥处理；间歇灌溉方式下，收获后土壤全氮含量表现为减氮30%处理＞分次施用氮肥处理＞不施氮肥处理。

3）施磷水平对土壤全氮含量的影响。稻季无磷＋不施氮肥处理（处理七）收获后土壤全氮含量高于相应对照处理（处理四，稻季施磷＋不施氮肥），上升2.06个百分点，但稻季无磷＋新型缓释氮肥减氮30%处理（处理八）的土壤全氮含量比相应对照处理（处理六，稻季施磷＋新型缓释氮肥减氮）下降0.82个百分点。

图1 收获后不同处理土壤全氮相对百分比

2.1.2 土壤铵态氮含量变化水稻收获后土壤铵态氮含量差异如图2所示，传统灌溉的3个处理土壤收获后铵态氮含量较泡田前下降18.58～29.57个百分点；间歇灌溉的5个处理收获后土壤铵态氮含量较泡田前下降27.17～43.34个百分点。

1）灌溉方式对土壤铵态氮含量的影响。间歇灌溉方式下不施氮肥、常规尿素分次施用和新型缓释氮肥减施处理，收获后土壤铵态氮含量均低于相应的传统灌溉，分别下降了12.81、13.77、20.25个百分点。

2）施氮水平对土壤铵态氮的影响。传统灌溉方式下，收获后土壤铵态氮含量表现为减氮30%处理＞不施氮肥处理＞分次施用氮肥处理；间歇灌溉方式下，收获后土壤铵态氮含量为不施氮肥处理＞减氮30%处理＞分次施用氮肥处理。

3）施磷水平对土壤铵态氮含量的影响。稻季无磷＋不施氮肥处理收获后土壤铵态氮含量低于相应对照处理（稻季施磷＋不施氮肥），下降了9.19个百分点；但稻季无磷＋新型缓释氮肥减氮30%处理的土壤铵态氮含量比对照处理（稻季施磷＋新型缓释氮肥减氮）上升11.66个百分点。

图2 收获后不同处理土壤铵态氮相对百分比

2.1.3 土壤硝态氮含量变化水稻收获后土壤硝态氮含量差异如图3所示，传统灌溉的3个处理收获后土壤硝态氮含量较泡田前下降9.38～13.92个百分点；间歇灌溉的5个处理收获后土壤硝态氮含量较泡田前下降7.36～24.15个百分点。

1）灌溉方式对土壤硝态氮含量的影响。间歇灌溉方式下不施氮肥、常规尿素分次施用和新型缓释氮肥减施处理收获后土壤硝态氮含量均低于相应传统灌溉，分别下降了2.46、14.36、13.84个百分点。

2）施氮水平对土壤硝态氮的影响。传统灌溉方式下，收获后土壤硝态氮含量表现为分次施用氮肥处理＞减氮30%处理＞不施氮肥处理；间歇灌溉方式下，收获后土壤硝态氮含量表现为不施氮肥处理＞分次施用氮肥处理＞减氮30%处理。

3）稻季减磷对土壤硝态氮含量的影响。稻季无磷＋不施氮肥处理收获后土壤硝态氮含量低于相应对照处理（稻季施磷＋不施氮肥），下降7.11个百分点；但稻季无磷＋新型缓释氮肥减氮30%处理的土壤硝态氮含量高于相应对照处理（稻季施磷＋新型缓释氮肥减氮），上升16.79个百分点。

图3 收获后不同处理土壤硝态氮相对百分比

2.2 不同处理土壤磷素变化特征

2.2.1 土壤全磷含量变化水稻收获后土壤全磷含量差异如图4所示。传统灌溉的3个处理收获后土壤全磷含量较泡田前下降3.25～9.67个百分点；间歇灌溉的5个处理收获后土壤全磷含量较泡田前下降1.22～7.07个百分点。

1）灌溉方式对土壤全磷含量的影响。间歇灌溉方式下的不施氮肥、常规尿素分次施用和新型缓释氮肥减施处理收获后土壤全磷含量均高于传统灌溉，分别上升1.69、3.99、1.65个百分点。

2）施氮水平对土壤全磷的影响。传统灌溉方式下，土壤收获后全磷含量表现为减氮30%处理＞不施氮肥处理＞分次施用氮肥处理，间歇灌溉方式下，土壤收获后全磷含量表现为减氮30%处理＞分次施用氮肥处理＞不施氮肥处理。

3）稻季无磷处理（处理七、处理八）收获后土壤全磷含量均高于相应对照处理（处理四、处理六），分别上升5.62、0.38个百分点。

图4 收获后不同处理土壤全磷相对百分比

2.2.2 土壤有效磷含量变化水稻收获后土壤有效磷含量差异如图5所示。传统灌溉的3个处理收获后土壤有效磷含量较泡田前下降14.03～24.08个百分点；间歇灌溉的5个处理收获后土壤有效磷含量较泡田前下降15.46～35.92个百分点。

1）灌溉方式对土壤有效磷含量的影响。间歇灌溉方式下常规尿素分次施用和新型缓释氮肥减施30%处理有效磷含量均低于相应传统灌溉方式，分别下降4.48、11.69个百分点；但不施氮肥处理在间歇灌溉方式下反而比传统灌溉上升8.62个百分点。

2）施氮水平对土壤有效磷含量的影响。传统灌溉方式下，收获后土壤有效磷含量表现为减氮30%处理＞分次施用氮肥处理＞不施氮肥处理，间歇灌溉方式下，收获后土壤有效磷含量表现为不施氮肥处理＞减氮30%处理＞分次施用氮肥处理。

图5 收获后不同处理土壤有效磷相对百分比

3）施磷水平对土壤有效磷含量的影响。稻季无磷＋不施氮肥处理收获后土壤有效磷含量低于相应对照处理（稻季施磷＋不施氮肥），下降20.46个百分点；但稻季无磷＋新型缓释氮肥减氮30%处理的土壤有效磷含量比相应对照处理（稻季无磷＋新型缓释氮肥减氮）上升5.19个百分点。

3 小结与讨论

在本试验中，常规尿素分次施肥处理土壤收获后全氮、铵态氮、全磷含量均比不施肥处理低，说明常规尿素分次施用会加大土壤氮素、磷素流失。而新型缓释氮肥一次处理可以缓慢释放肥料养分，且养分释放期长，可以为作物的整个生长期提供养分。由于缓释氮肥释放养分速率慢的特性，可以显著减少肥料养分的挥发和淋失，大幅度提高肥料利用率，增加土壤酶活性和微生物数量，降低养分流失对地下水等造成的污染风险［17，18］。本研究中，新型缓释氮肥一次处理在传统灌溉方式下，水稻收获后土壤全氮、铵态氮、全磷、有效磷含量均为最高；间歇灌溉方式下，新型缓释氮肥一次处理水稻收获后土壤全氮、全磷相对含量也均比常规尿素分次施肥处理、不施氮肥处理高，说明新型缓释氮肥一次施用有助于耕层土壤对氮素、磷素的保持，减少土壤氮素、磷素流失。田昌等［19］研究表明，与普通尿素处理相比，控释尿素处理可以提高0～40 cm土层全氮和硝态氮含量，且施用控释尿素可以有效降低土层铵态氮向下淋溶，避免土壤氮素流失；施用控释尿素对土壤全磷、有效磷含量影响不显著。

稻季无磷处理收获后土壤全磷含量高于相应对照处理，但稻季无磷+不施氮肥处理的土壤速效磷含量低于相应对照处理。陈浩等［20］通过长期定位试验发现，与稻麦季均施磷处理相比，麦季施磷稻季不施磷处理的太湖流域稻麦轮作区土壤速效磷含量、小麦子粒产量以及植株全磷含量虽均有下降，但降低并不显著，表明稻季减磷的举措可行，仅麦季施磷即可满足作物的磷需求和维持小麦的产量。

间歇灌溉方式下水稻收获后土壤全磷含量高于传统灌溉，但其中不施氮肥和新型缓释氮肥减施处理的有效磷含量反而下降，原因可能是土壤在间歇灌溉晒田过程中由于氧化条件能促进亚铁离子向三价铁离子转化，增强了土壤对磷的亲和力，使得有效磷含量下降［21］。间歇灌溉方式下耕层土壤铵态氮、硝态氮含量低于传统灌溉，这可能是由于间歇灌溉增强了“以水带氮”的效果，肥料更容易深入土壤然后被吸附。余双等［22］研究表明，与淹灌相比，间歇灌溉能够适当增加水稻产量，有利于土壤对总氮、有机质的保持，减轻耕层土壤磷素淋溶损失。与传统的漫灌相比，薄层灌溉、干湿交替灌溉等不同节水灌溉方式均能明显降低土壤氮素、磷素流失导致的农业非点源污染。